Skąd pochodzi żelazo lub jak się je wytwarza?

Kiedy zastanawiasz się nad pochodzeniem żelaza, twój umysł prawdopodobnie zabłąka się w wizje hut stali w średniowieczu kuźnie lub inny proces produkcyjny charakteryzujący się ciężką, praktyczną pracą i bardzo wysokim temperatury. Ale oprócz tego, że jest to rodzaj metalu używanego na różne sposoby w ludzkim przemyśle, żelazo jest również pierwiastkiem, a nie związkiem lub stopem, co oznacza, że ​​można wyizolować pojedynczy atom żelaza. Nie dotyczy to większości znanych materiałów; na przykład najmniejsza ilość wody, jaką można jeszcze nazwać wodą, zawiera trzy atomy, jeden z nich to tlen, a pozostałe dwa wodór.

Co ciekawe, chociaż ludzie tutaj kojarzą żelazo z niezwykle wysokimi temperaturami w ustawieniach produkcyjnych Ziemia, żelazo jako pierwiastek, zawdzięcza swoje istnienie wydarzeniom tak gorącym i tak odległym, że liczby w nim zawarte prawie nie stanowią sens. Dlatego podjęcie badań nad sposobem wytwarzania żelaza wymaga dwóch równoległych procesów: Zbadanie, jak powstało żelazo i jak dotarła na Ziemię i jak ludzie na Ziemi wytwarzają i wykorzystują żelazo zarówno do celów codziennych, jak i specjalistycznych zajęcia. Te tematy z kolei zachęcają do dyskusji na temat wykorzystania żelaza w i przez systemy żywe oraz do ogólnego spojrzenia na to, jak różne pierwiastki powstają i rozprzestrzeniają się w kosmosie.

Żelazo jest znane ludzkości od około 3500 r. p.n.e., czyli ponad 5500 lat temu. Jego nazwa wywodzi się od wersji anglosaskiej, która brzmiała „iren”. Symbol żelaza w układzie okresowym pierwiastków Fe pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego żelazo, które oznacza żelazo. Jeśli przeglądasz aptekę i widzisz suplementy żelaza, zauważysz, że większość ich nazw to coś „żelaznego” (takie jak siarczan lub glukonian). Za każdym razem, gdy zobaczysz słowo „żelazny” lub „żelazny” w kontekście chemicznym, powinieneś natychmiast rozpoznać, że omawiane jest żelazo; „ironiczny”, choć jest wspaniałym i użytecznym słowem, nie odgrywa żadnej roli w świecie nauk fizycznych.

Żelazo (w skrócie Fe) jest klasyfikowane jako metal nie tylko do celów codziennych, ale także w układzie okresowym pierwiastków (patrz Zasoby dla interaktywnego przykładu). Prawdopodobnie nie jest to niespodzianką, ale w rzeczywistości metale w przyrodzie znacznie przewyższają liczebnie niemetale; ze 113 pierwiastków, które ludzie odkryli lub stworzyli w warunkach laboratoryjnych, 88 sklasyfikowano jako metale.

Atomy, jak być może już wiesz, składają się z jądra zawierającego mieszaninę protonów i neutronów o mniej więcej równej masie, otoczonego „chmurą” prawie bezmasowych elektronów. Protony i elektrony niosą ładunek równej wielkości, ale ładunek protonów jest dodatni, a elektronów ujemny. Liczba atomowa żelaza wynosi 26, co oznacza, że ​​żelazo ma 26 protonów i 26 elektronów w stanie elektrycznie obojętnym. Jego masa atomowa, która po zaokrągleniu jest po prostu sumą protonów i neutronów, nie przekracza 56 gramów na mol, co oznacza, że ​​jego najbardziej stabilna chemicznie forma zawiera (56 - 26) = 30 neutronów.

Żelazo posiada niesamowite właściwości fizyczne. Ma gęstość 7,87 g/cm³, dzięki czemu jest prawie osiem razy gęstszy od wody. (Gęstość to masa na jednostkę objętości; woda jest zdefiniowana jako 1,0 g/cm³ zgodnie z konwencją.) Żelazo jest ciałem stałym w temperaturze 20 stopni Celsjusza (68 F), ogólnie uważanym za „temperaturę pokojową” dla celów chemicznych. Jego temperatura topnienia jest niezwykle wysoka 1538 C (2800 F), podczas gdy jego temperatura wrzenia – czyli temperatura, w której ciekłe żelazo zaczyna parować i zamieniać się w gaz – to 2861 C (5182 F). Nic więc dziwnego, że w obróbce metali używane rodzaje pieców muszą być rzeczywiście niezwykle wydajne.

Żelazo, pod względem masy, jest czwartym co do wielkości pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Całkowity udział żelaza w Ziemi może być jednak znacznie większy, biorąc pod uwagę, że stopione jądro planety składa się głównie z skroplonego żelaza, niklu i siarki. Żelazo wydobywane z ziemi podczas operacji wydobywczych ma postać rudy, która jest żelazem pierwiastkowym zmieszanym z jednym lub kilkoma rodzajami skał. Najpopularniejszym rodzajem rudy żelaza jest hematyt, ale ważnymi źródłami tego metalu są również magnetyt i takonit.

Żelazo rdzewieje lub koroduje bardzo łatwo w porównaniu z innymi metalami. Stwarza to problemy inżynierom, ponieważ obecnie dziewięć dziesiątych rafinowanego metalu zawiera żelazo.

Większość żelaza wydobywanego na użytek ludzi kończy się w postaci stali. „Stal” to stop, czyli mieszanina metali. Popularną obecnie formą tego produktu jest stal węglowa, co jest nieco mylące, ponieważ węgiel stanowi tylko niewielki ułamek masy tej stali we wszystkich jej formach. W postaci stali węglowej o najwyższej zawartości węgla, węgiel stanowi około 2 procent masy metalu; liczba ta może spaść do 1/10 1% bez utraty przez metal tytułu „stal węglowej”.

Stal węglowa może z kolei być strategicznie zafałszowana innymi metalami w celu uzyskania stopów o pewnych pożądanych właściwościach. Na przykład stal nierdzewna jest formą stali węglowej, która zawiera znaczną ilość chromu – ponad 10 procent masy. Materiał ten jest znany ze swojej trwałości i tendencji do utrzymywania błyszczącego, błyszczącego wyglądu przez długi czas dzięki wysokiej odporności na korozję. Stal nierdzewna zajmuje ważne miejsce w architekturze, łożyskach kulkowych, narzędziach chirurgicznych i zastawie stołowej. Istnieje duża szansa, że ​​jeśli wyraźnie widzisz swoje odbicie na czysto metalowej powierzchni, patrzysz na coś w rodzaju stali nierdzewnej.

Kiedy rozsądna ilość metali, takich jak nikiel, wanad, wolfram i mangan zostanie zintegrowana ze stalą, sprawia, że ​​i tak już twarda substancja staje się jeszcze twardsza; te stale stopowe są zatem dobrze przystosowane do stosowania w mostach, przyrządach tnących i elementach sieci elektrycznej.

Niestalowy rodzaj żelaza, zwany żeliwem, zawiera dużo węgla (przynajmniej według standardów obróbki metali żelaznych): 3 do 5 procent. Żeliwo nie jest tak wytrzymałe jak stal, ale jest znacznie tańsze, więc przechodząc od stali do odlewu steel żelazo, dokonujesz tego samego ogólnego kompromisu, jaki robisz, przechodząc od żeberka do 70 procent chudego Hamburger.

Żelazo na Ziemi jest wytwarzane, a właściwie wydobywane z rudy żelaza. Część „skalna” rudy żelaza zawiera tlen, piaski i gliny w różnych ilościach w zależności od rodzaju rudy. Zadaniem huty, jak nazywano najwcześniejsze takie fabryki, jest usuwanie jak największej ilości skały i innego żwiru przy jednoczesnym pozostawieniu żelaza – niewiele inaczej w zasadzie od łuskania orzeszków ziemnych lub obierania pomarańczy, aby uzyskać dobrą część, z wyjątkiem tego, że w przypadku rudy żelaza żelazo nie jest tylko otoczone jednorazowymi materiał; jest z nią zmieszany.

Pomimo zniechęcających temperatur i ogólnych fizycznych wyzwań hut żelaza, ludzie używali ich już w czasach przedchrześcijańskich. Po raz pierwszy obróbka żelaza dotarła na Wyspy Brytyjskie przez Europę kontynentalną i zachodnią Azję w V wieku p.n.e. W tamtych czasach żelazo było fizycznie oddzielone od niechciany materiał w możliwie najszerszym zakresie przy użyciu tylko węgla drzewnego, gliny i samej rudy, podgrzanych do temperatur skromnych w porównaniu do podążać. W każdym razie wytapianie trwało już w 1500 r. p.n.e., ale prawie 30 wieków później, w XV wieku, wynaleziono wielki piec, zmieniając radykalnie i na zawsze „przemysł” (taki, jaki był).

Obecnie żelazo wytwarza się przez ogrzewanie hematytu lub magnetytu w wielkim piecu wraz z formą węgla zwaną „koksem” oraz węglanem wapnia (CaCO₃), lepiej znany jako wapień. Daje to związek, który zawiera około 3 procent węgla i inne domieszki - nie idealnej jakości, ale wystarczająco dobry, aby wytwarzać stal. Każdego roku na całym świecie produkuje się około 1,3 miliarda ton metrycznych (około 1,43 miliarda ton amerykańskich, czyli prawie 3 biliony funtów) surowej stali.

Skąd „pochodzi” żelazo w Twojej zmywarce ze stali nierdzewnej lub piecu na drewno, jest być może o wiele mniej interesującym pytaniem niż to, w jaki sposób żelazo powstało w dowolnym miejscu we wszechświecie. Żelazo jest uważane za pierwiastek ciężki, a pierwiastki tego typu mogą powstać jedynie w katastrofalnych zdarzeniach „gwiezdnej śmierci”, zwanych supernowymi. Podczas gdy większość gwiazd wygasa, gdy spalają swoje paliwo w postaci wodoru, niektóre gwiazdy dosłownie gasną z hukiem.

Są to statystycznie rzadkie zdarzenia, występujące tylko kilka razy na sto lat w całym zakresie całej Galaktyki Drogi Mlecznej, masywnego, powoli obracającego się stosu gwiazd i innej materii, którą nazywają ludzie Dom. Ale są też niezwykle ważne. Bez nich nie istniałyby siły niezbędne do spowodowania stopienia się dużych, mniejszych pierwiastków przy uderzeniu i utworzenia jeszcze większych pierwiastków, takich jak żelazo, miedź, rtęć, złoto, jod i ołów. I cały czas pewna część tych pierwiastków przemieszcza się w kosmosie na duże odległości i osadza się na Ziemi, czasami w postaci uderzeń meteorytów.

Uważa się, że żelazo reprezentuje przybliżony punkt odcięcia pod względem pierwiastków, które mogą być generowane przez zwykłe procesy spalania gwiezdnego (jakby same te procesy były naprawdę „zwyczajne” w jakikolwiek sposób) i takie, które można tylko stworzyć przez supernowe.

Większość pierwiastków – tlen, liczba atomowa 8, ale prawdopodobnie bez żelaza, liczba atomowa 26 – powstaje, gdy gwiazda zaczyna wyczerpywać zapasy wodoru. Powodem, dla którego gwiazda „płonie”, jest to, że nieustannie przechodzi niezliczone reakcje syntezy jądrowej z wodorem, najlżejszy pierwiastek (liczba atomowa 1) zderza się z innymi atomami wodoru, tworząc hel (liczba atomowa 2). Ostatecznie, w najbardziej wewnętrznej części gwiazdy, atomy helu zderzają się w grupach, tworząc węgiel (liczba atomowa 6).

Prawdopodobnie uznajesz żelazo za niezbędne w diecie człowieka, opierając się wyłącznie na twierdzeniach reklamowych przez: producentów żywności („To płatki zbożowe zawierają 100 procent zalecanej w USA dziennej dawki żelazo!"). Możesz jednak nie wiedzieć, dlaczego tak jest.

Jak się okazuje, typowy organizm człowieka zawiera około 4 gramy pierwiastkowego żelaza. To może nie brzmieć zbyt wiele, ale po co twojemu ciału potrzebny jest jakikolwiek metal? W rzeczywistości żelazo jest istotną częścią hemoglobiny, białka wiążącego tlen znajdującego się w czerwonych krwinkach (RBC). Czerwone krwinki przenoszą tlen z płuc do tkanek, gdzie wykorzystujemy go w oddychaniu komórkowym.

Kiedy ludzie mają niedobór żelaza z powodu niedostatecznego spożycia (żelazo znajduje się w mięsie, zwłaszcza podroby, a także niektóre zboża) lub ogólnoustrojowe stany chorobowe, ich RBC nie mogą zrobić tego praca prawidłowo. W tym stanie, zwanym anemią, ludzie mają duszności po niewielkim wysiłku i często cierpią na zmęczenie, bóle głowy i ogólne osłabienie. W ciężkich przypadkach może być wymagana transfuzja krwi w celu skorygowania niedokrwistości, chociaż zazwyczaj korektę przeprowadza się za pomocą suplementacji tabletkami i płynami zawierającymi żelazo.